一種雙頻層疊H型縫隙微帶陣列天線的設計及分析

張佳偉 張建宇 黃亮 姚斌

摘 要：為滿足雙頻雙方向的工作要求，文章設計了一款雙頻層疊H型縫隙微帶陣列天線。采用基板—空氣—基板3層結構及同相并饋功分網絡饋電結構，在減小尺寸的同時實現阻抗的更優匹配。采用H型縫隙結構、錯位雙陣列八陣元結構實現雙頻雙方向輻射特性。仿真結果顯示，天線在2.8 GHz和3.9 GHz兩個工作頻段增益為12.4 dB。中心頻率為3.9 GHz時，|S11|<-10 dB，帶寬為130 MHz。中心頻率為2.8 GHz時，|S11|<-10 dB，帶寬為100 MHz。

關鍵詞：H型縫隙；微帶陣列天線；雙頻；雙方向

考慮到空氣動力學的影響，高速飛行器難以在其外部架設天線。微帶縫隙天線具有體積薄、易共形等特點，易于集成在飛行器內部，從而在飛機、導彈等高速飛行器上得到了廣泛應用。然而，隨著無線通信的飛速發展，高速、多方向性通信成為新的發展要求，而微帶天線帶寬窄、方向性單一等局限性卻極大制約了其在無線通信中的應用。

為了增加微帶縫隙天線的增益、帶寬、輻射角度等，眾多學者做出了努力。Das等[1]在單個貼片上蝕刻H型縫隙，獲得了較寬的帶寬和更為穩定的輻射模式。Abutarboush等[2]在H型平面微帶貼片天線背面增加圓形貼片的辦法，進而達到與矩形接地平面縫隙耦合，最終實現阻抗匹配，并能工作在多個頻段。Ramli等[3]設計了一種孔徑耦合可重構微帶層疊陣列天線。通過控制二極管開關的狀態實現底層饋電系統的改變，從而調整上層輻射天線的饋電位置，最終實現在多頻段、多方向工作的效果。邾志民等[4]利用蝶形微帶貼片代替傳統的矩形貼片，并在普通的矩形縫隙兩邊開槽形成H型縫隙，達到了增加帶寬的作用。趙勇[5]設計了一款交叉口徑耦合饋電的天線模型，此種饋電方式比較易于產生圓極化波，而且其阻抗匹配以及頻帶寬度等方面都可以獲得比較理想的結果，滿足小型化、寬頻帶以及增益等方面的需求。孫琪等[6]設計了一種減速透鏡天線，其輻射單元為微帶貼片天線，通過雙H型槽耦合饋電，采用不同的介質材料對束散角進行不同程度的壓制，使得天線的增益進一步提高。馮理等[7]設計了一種口徑耦合的小型四單元短路貼片天線陣，采用短路面加載輻射貼片，使單元貼片天線長度縮小一半，實現了高增益、小型化和定向輻射。

上述研究成果在一定程度上從增益、帶寬、輻射角度、小型化4個方面提高了縫隙天線的性能，但整體天線性能還有提高的可能。本文利用特定陣列結構及空氣間隙結構設計，設計了一款雙頻層疊H型縫隙微帶陣列天線。利用高頻電磁場仿真軟件（High Frequency Electromagnetic Field Simulation Software，HFSS）對天線的方向性、回波損耗、增益進行了仿真分析，結果表明，本天線在保證雙頻工作的基礎上具有更低的回波損耗和更好的方向特性。

1 天線設計

本文所設計的雙頻層疊H型縫隙微帶陣列天線結構如圖1和圖2所示。本天線采用錯位雙陣列八陣元結構，在實現雙方向輻射的同時（左邊四單元貼片向左輻射，右邊四單元向右輻射），達到了更優的阻抗匹配，使得天線的回波損耗減少了一半。天線整體結構分為3層，上下兩層為RT-Rogers5880基板，中間為空氣層，頂層基板附貼著8個陣元貼片天線，下層基板的底面為天線的饋電層，頂面為H型縫隙耦合層，激勵在下層基板的側面，中間為了增加了一層空氣層以實現阻抗匹配。層疊結構把作為輻射單元的無源貼片堆疊在天線頂部，具有高增益、寬帶寬的特點?？遵詈橡侂娂夹g可以用于減少輻射元件與饋電線之間的雜散輻射。空氣間隙結構可以實現更優的阻抗匹配，增加天線的增益[8]。采用兩組錯位的H型縫隙天線結構（見圖2），使天線能夠同時在兩個方向上進行定向輻射。

天線工作時，下層饋電電路通過電磁能量耦合，將電磁波從饋電電路的末端輻射出去，透過H型縫隙傳入陣元貼片，最后將信號輻射出去。

2 天線單元參數

天線設計參數如圖3和圖4所示。長寬分別為Ls=270 mm，Ws=195 mm，頂部基板厚度為t1=1 mm，空氣層厚度t2=6 mm，底部基板厚度t3=0.787 mm，基板均采用roger-5880板。頂部輻射貼片采用八陣列矩形金屬貼片構成，貼片長度L=30 mm，貼片寬度w=20 mm，貼片間的中心距離為d1=d2=88 mm。這樣的倒鏡像陣列結構設計可以在保證天線增益的前提下，讓天線同時向兩個方向輻射信號。

天線底部基板的上層為H型縫隙層，下層為饋電層。H型縫隙參數如圖5所示。饋電層的饋電結構采用同相并饋功分網絡（見圖6），即采用多個將一端分成兩路的T形接頭，依次分為兩路，直到總分端數等于陣元數。因為單元天線在工作頻段內的輸入阻抗變化在50 Ω附近，用分支為70.7 Ω的T型接頭可以保證陣元貼片與饋電線的阻抗匹配[7]。

3 仿真結果及分析

利用HFSS對本文天線模型進行仿真計算，得到了回波損耗數據（見圖7）。當天線的工作頻率為3.9 GHz時，回波損耗為-20.2 dB，帶寬為100 MHz，當天線的工作頻率為2.8 GHz時，回波損耗為-18.1 dB，帶寬為130 MHz，天線回波損耗已經達到設計要求。本文天線和傳統四陣列天線（見圖8）的回波損耗圖（圖7和圖9）數據對比顯示，采用本文的設計后，天線的回波損耗在2.8 GHz時從-6.44 dB降低到了-18.12 dB，在3.8 GHz時從-10.27 dB降低到﹣20.24 dB。

本文天線和傳統四陣列天線的增益方向圖如圖10和圖11所示。對比結果顯示，本文天線在保證增益（增益值為12 dB）的前提下，增加了一個輻射方向（-30°和30°方向），實現了天線的雙角度定向輻射。

4 結語

本文所設計的雙頻層疊式H型縫隙陣列天線，可以工作在2.8 GHz和3.9 GHz兩個頻段。在天線的設計中融合了層疊結構、H型縫隙結構、錯位雙陣列八陣元結構等設計理念，在滿足增益要求的前提下，實現了雙頻率、雙方向的輻射特性。仿真結果表明：天線在2.8 GHz和3.9 GHz兩個工作頻段增益為12.4 dB；中心頻率為3.9 GHz時，|S11|<-10 dB，帶寬為130 MHz；中心頻率為2.8 GHz時，|S11|<-10 dB，帶寬為100 MHz。

[參考文獻]

[1]DAS A，MOHANTY M N，MISHRA R K.Optimized design of H-slot antenna for bandwidth improvement[C].Bhubaneswar：IEEE Power，Communication and Information Technology Conference，2016：563-567.

[2]ABUTARBOUSH H F，AL-RAWESHIDY H S，NILAVALAN R.Bandwidth enhancement for microstrip patch antenna using stacked patch and slot[C].Shanghai：IEEE International Workshop on Antenna Technology，2009：1-4.

[3]RAMLI N，ALI M T，ISLAM M T，et al.Aperture-coupled frequency and patterns reconfigurable microstrip stacked array antenna[J].IEEE Transactions on Antennas & Propagation，2015（3）：1067-1074.

[4]邾志民，陳春紅，吳文，等.Ka波段寬帶H型縫隙耦合蝶形微帶貼片天線設計[J].微波學報，2015（S2）：68-71.

[5]趙勇.采用口徑耦合饋電的5.8GHz天線的設計[J].電子技術，2009（5）：15-17.

[6]孫琪，山崗，李榮.雙H形縫隙18GHz透鏡天線設計[J].電子科技，2014（8）：72.

[7]馮理，張權，李樹.2.4GHz四單元微帶貼片天線陣的設計與仿真[J].桂林電子科技大學學報，2010（1）：5-8.

[8]SADAT S，JAVAN S D S，HOUSHMAND M.Design of a microstrip square-ring slot antenna filled by an H-shape slot for UWB applications[C].Massachusetts：IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium，2007：705-708.